鄂尔多斯盆地陇东地区铝土岩有效压裂技术

徐晓晨; 陆红军; 王文雄; 叶亮; 王龙; 吴勇; 赵倩云

doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2024.04.013

天然气地球科学 >

2024 , Vol. 35 >Issue 8: 1488 - 1501

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.04.013

天然气开发

鄂尔多斯盆地陇东地区铝土岩有效压裂技术

徐晓晨 ^,¹^,² ,
陆红军 ¹^,² ,
王文雄 ¹^,² ,
叶亮 ¹^,² ,
王龙 ²^,³ ,
吴勇 ²^,³ ,
赵倩云 ¹^,²

展开

^1. 中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西西安 710018
^2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018
^3. 中国石油长庆油田分公司，陕西西安 710018

徐晓晨（1995-），女，陕西渭南人，硕士，工程师，主要从事储层改造技术研究. E-mail：xuxch_cq@petrochina.com.cn.

收稿日期: 2024-01-08

修回日期: 2024-04-11

网络出版日期: 2024-05-13

收起

Effective hydraulic fracturing of the bauxite rock series in the Longdong area， Ordos Basin

Xiaochen XU ^,¹^,² ,
Hongjun LU ¹^,² ,
Wenxiong WANG ¹^,² ,
Liang YE ¹^,² ,
Long WANG ²^,³ ,
Yong WU ²^,³ ,
Qianyun ZHAO ¹^,²

Expand

^1. Oil and Gas Technology Research Institute of Changqing Oilfield Company，PetroChina，Xi'an 710018，China
^2. Exploration and Development of Low⁃Permeability Oil & Gas Fields，Xi’an 710018，China
^3. PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018，China

Received date: 2024-01-08

Revised date: 2024-04-11

Online published: 2024-05-13

Supported by

The Technology Project of Changqing Oilfield Company,PetroChina(2022KT0504)

Fold

摘要

铝土岩与常规储层不同，在岩石力学参数、压裂地质特征等方面具有较大差异，前期先导试验井压裂施工难度大。为解决储层改造难题，针对复杂铝土岩系储层开展了岩石力学、地应力、储层伤害等基础实验，明确了泥质铝土岩、铝土质泥岩具有高杨氏模量（35.5~44.5 GPa）、高脆性（55%~60%）和高地应力（最小水平主应力53~71 MPa）等压裂地质特征。同时不同取心方向的铝土岩岩石力学也具有显著差异，表明各向异性程度较强。储层伤害主控因素主要包括水锁伤害、水敏伤害及固相伤害，应力敏感性较弱。综合实验认识与现场实践分析，针对黏土含量高、杨氏模量高、裂缝起裂延伸难度大、加砂难度大等工程难题，通过集成“体积压裂增大裂缝体积、高黏液提净压造缝携砂、加密射孔确保起裂、前置酸液降低工压”四项技术措施为一体，通过单项技术的持续优化，初步固化形成多岩性铝土岩压裂改造技术模式，在矿场实践中获得显著成效。储层改造加砂成功率由前期的44%提升至100%。

关键词： 鄂尔多斯盆地; 铝土岩; 体积压裂; 环空气举阀; 多效耦合活性酸

本文引用格式

徐晓晨 , 陆红军 , 王文雄 , 叶亮 , 王龙 , 吴勇 , 赵倩云 . 鄂尔多斯盆地陇东地区铝土岩有效压裂技术[J]. 天然气地球科学, 2024 , 35(8) : 1488 -1501 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.04.013

Abstract

The Bauxite series is different from conventional sandstone and carbonate reservoirs in rock mechanics parameters and fracturing geological characteristics. Those previous wells were difficult to conduct hydraulic fracturing. To solve the reservoir stimulation problem， basic experiments on rock mechanics， in-suit stress， and reservoir damage were conducted for the bauxite rocks. The Young's modulus of bauxite is 6⁃10 GPa. Bauxitic mudstone and muddy bauxite have mechanical characteristics of high Young's modulus （35.5⁃44.5 GPa）， high brittleness （55%⁃60%） and high in-situ stress （minimum principal stress 53⁃71 MPa）. And there are significant differences in rock mechanics of bauxite with different core directions， indicating a strong degree of anisotropy. The main controlling factors for reservoir damage include water lock damage， water sensitivity damage and solid damage， with weak stress sensitivity. Based on experimental conclusions and on-site practical analysis， by integrating the four technical measures of “volume fracturing， high viscosity fluid， dense perforation， and pad-acid”， a multi lithology bauxite rock fracturing technology model has been preliminarily solidified and achieved significant results in field practice. The success rate of sanding increased from 40% to 100%.

Key words： Ordos Basin; Bauxite rock series; Volume fracturing; Annular gas lift valve; Multi-functional acid system

0 引言

陇东地区含铝岩系广泛分布于鄂尔多斯盆地下古生界风化壳之上，资源量潜力大，勘探面积为7 000 km²，资源量超3 000×10⁸m³，早期勘探被认为是下古生界风化壳气藏的致密盖层^［1］，在地质工程方面被视为常规致密砂岩的顶底板与遮挡层^［2］，鲜有将其作为储层的研究与报道^［3-4］。2020年以来，陇东地区多口探井在含铝层系显示气测异常。2020—2022年，铝土岩共完试16口井（图1），试气产量为（0.08~67.38）×10⁴m³/d，工业气流井比例为12.5%。2021年陇47井太原组铝土岩试气取得了67.4×10⁴m³/d高产突破，开辟了我国天然气勘探新类型、新领域。

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图1 陇东地区铝土岩平面分布^①

Fig.1 Plan distribution map of the bauxite rock series in the Longdong area^①

铝土岩与砂岩、碳酸盐岩在岩性、沉积特征及储层物性方面存在较大差异，常规储层改造模式无法适应。由于储层类型新，在国内外油气领域鲜有研究，尚未被系统评价，压裂改造面临诸多全新挑战。系统全面认识铝土岩储层压裂地质特征，是铝土岩天然气勘探开发持续获得突破的重要基础。在新领域攻关前期，纯铝土岩储层改造技术经探索后主体适应，但泥质铝土岩及铝土质泥岩储层压裂施工成功率整体较低。本文以鄂尔多斯盆地陇东地区野外典型露头及8口钻井岩心的铝土岩为研究对象，结合地质和测井资料，开展岩石力学实验、小型物理模拟实验、支撑剂嵌入导流实验及储层伤害实验等，系统研究铝土岩岩石力学性质、裂缝扩展规律、支撑剂嵌入导流能力及储层伤害等特征，并结合现场实践深化压裂地质特征、差异化压裂工艺等多方面开展了攻关研究与试验，在矿场实践中取得显著成效，2022—2023年储层改造加砂成功率由前期44%提升至100%，初步解决了加砂问题，并对国内外后续铝土岩储层改造压裂增产技术研究提供有效参考。

1 压裂基础实验

1.1　矿物成分

铝土岩是主要受表生淋滤作用形成的富铝化学沉积岩^［5-7］，主要特征是矿物成分中包含铝氧化物，常见有三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石（硬水铝石）^［8-9］（表1，表2），与上古致密砂岩、下古致密碳酸盐岩储层岩性具有较大差异（表3）。储层埋深3 900~4 500 m，厚度为2~40 m，在下古生界喀斯特地貌控制下^［10］，纵向上形成了3种岩性组合序列^［11］。铝土岩随Al₂O₃的含量不同，岩性及特征存在差异，导致储层岩性复杂，非均质性强。按照Al₂O₃和泥质含量差异可将储层划分为3类^［12］：I类纯铝土岩（Al₂O₃占比>75%）、II类泥质铝土岩（Al₂O₃占比为50%~75%）和III类铝土质泥岩（Al₂O₃占比为25%~50%）。I类铝土岩储层物性好，II类泥质铝土岩、III类铝土质泥岩储层较致密。铝土岩贫钾富铝，物性较好，是优质储层发育段，为主要勘探对象。铝土岩孔隙类型为团块溶孔、基质溶孔、粒内溶孔。孔隙度大小为5.0%~28.7%，其中大于16%的占比为63.2%；渗透率在（0.1~20.0）×10^-3μm²之间，其中大于1.0×10^-3μm²的占比为52.6%。并且孔渗相关性好，裂缝不发育，孔喉比小，孔隙连通性好。

表1 铝土岩矿物成分统计

Table 1 Mineral composition of the bauxite rock

岩性	Al₂O₃/%	井号	深度 /m	水铝石 /%	石英 /%	（钾/斜长石） /%	锐钛矿 /%	电气石 /%	石盐金红石黄铁矿勃姆石/%	黏土矿物 /%
铝土岩	>75	L58	4 046.08	77.2	/	/	2.5	6.7	1.6	12
		L58	4 047.08	80.5	/	/	2.5	4.6	2.4	10
		HT2	4 606.2	78.7	1.1	0.8	/	/	/	19.4
			4 607.74	78.2	0.4	0.6	/	/	/	20.8
			4 607.65	85.4	0.6	0.5	/	/	/	13.5
			4 607.68	90.2	0.8	0.2	/	/	/	8.8
			4 607.71	83.2	0.3	0.4	/	/	/	16.1
		HT1	4 459.14	76.9	0.6	/	2	/	3.7	14.9
泥质铝土岩	50~75	L58	4 047.35	72	/	/	2.8	5.2	4	16
泥质铝土岩	50~75	HT2	4 603~4 609	56.9	/	/	/	/	4.3	38.8
铝土质泥岩	25~50	HT2	4 601.48	31	39	/	1	/	2	27
铝土质泥岩	25~50	物模露头		41.4	18	11.8	/	/	/	28.8

注：“/”表示无数据

表2 铝土岩分类

Table 2 Category table of the bauxite rock

分类	岩性	水铝石/%	黏土矿物	钾/%
Ⅰ类	铝土岩	>75	高岭石	<1
Ⅱ类	泥质铝土岩	50~75	少量高岭石	1.0~2.0
Ⅲ类	铝土质泥岩	20~50	伊利石	>2.0

表3 铝土岩与常规储层矿物含量对比

Table 3 Mineral composition comparison of the bauxite rock and conventional reservoir

岩性	代表井	层位	主要矿物成分占比/%
岩性	代表井	层位	Al₂O₃	SiO₂	白云石	钾长石长石	绿泥石高岭石	伊利石伊/蒙间层
铝土岩	HT2	太原组	87.1	0.1	/	/	0.1~2.4	1.1~3.5
砂岩	L43	山1	/	63.7	/	/	0.5~3.5	/
碳酸盐岩	L54	马五5	/	/	80.6	/	/	2.0~17.1

注：“/”表示无数据

^①铝土岩研究专班工作成果.长庆油田.内部资料，2024.

对铝土岩储层取心开展了矿物成分测试，黏土矿物主要为高岭石、绿泥石、伊利石等，且不同井的铝土岩黏土矿物成分及含量差异较大。且单井岩性纵向变化较大，HT2井在纵向6 m范围内（4 601~4 607 m），同时存在3种岩性（表1）。

1.2　岩石力学性质与地应力

本文针对不同类型铝土岩储层分别开展了岩石三轴压缩实验、岩石单轴压缩实验、岩石抗拉强度测试及Kaiser效应测地应力等基础实验。对不同类型铝土岩不同方向的取心岩样进行了三轴压缩实验并对水平方向取心岩样开展了单轴压缩实验，并以岩样深度为依据进行施加围压，实验结果如表4所示。

表4 铝土岩岩石力学测试结果统计

Table 4 Rock mechanics parameters of the bauxite rock series

岩性

抗压实验测试

抗拉实验测试

断裂韧性测试

地应力测试

围压

/MPa

抗压强度

/MPa

杨氏模量

/GPa

泊松比

抗拉强度

/MPa

脆性指数

KIC

/（MPa·m^0.5）

σ_h/MPa

σ_H/MPa

σ_v/MPa

铝

土

岩

103.41

（71.7~153.5）

4组

19.81

（3.2~35.26）

4组

0.32

（0.24~0.37）

4组

1.85

（1.6~2.1）

2组

0.36

（0.36~0.37）

2组

0.3

（0.18~0.45）

6组

53.35

（52.9~53.8）2组

（60.4~61.6）2组

83.2

（83.0~83.4）2组

358.96

（314.1~403.8）

2组

44.49

（43.4~45.5）

2组

0.141

（0.155~0.161）

2组

232.88

（167.4~272.8）

4组

35.49（29.3~39.4）

4组

0.141（0.10~0.16）

4组

10.37

（8.3~12.3）

4组

0.6

（0.58~0.61）

4组

1.259

1组

71.17

1组

79.82

1组

91.76

1组

铝土质泥岩

130.52

（122.9~135.2）

3组

36.67（32.1~39.4）

3组

0.387（0.35~0.46）

3组

2.07

（1.9~2.2）

3组

0.55

（0.52~0.57）

3组

0.88

（0.63~1.87）

6组

54.45

（53.7~55.2）2组

70.4

（69.4~71.4）2组

84.9

（84.6~85.2）2组

注：“/”表示无数据

结果表明，三轴抗压强度介于71.1~403.8 MPa之间，泊松比介于0.10~0.46之间，杨氏模量整体较高（35.5~44.5 GPa），且脆性指数相对较高（55%~60%）。从地应力实验来看，发现铝土岩储层中垂向应力最大，约比水平最大主应力高约11 MPa，表明水力裂缝缝高垂向扩展阻力相对较小，有利于穿层扩展。两向应力差较大，具备形成单一主裂缝的条件，形成复杂裂缝难度大。但最小主应力普遍较高（53~71 MPa），导致储层破裂难度较大。

L98井为泥质铝土岩，其抗压强度约为HT2井（纯铝土岩）的2倍，表明铝土岩中水铝石含量会显著影响岩石力学性质（表5）。相同围压下，水铝石含量越高岩石三轴抗压强度越低，单轴压缩实验下水铝石占比83%的铝土岩抗压强度仅为水铝石占比30%的一半，进一步表明了I类铝土岩的岩石力学可压性较高。此外，水铝石含量越高铝土岩的泊松比越低，表明水铝石含量会影响岩石脆性的脆性，即I类铝土岩脆性更高，水力裂缝将更加复杂。而II类、III类铝土岩中的黏土及其他金属矿物成分更高，金属矿物将增加岩石的强度，而黏土含量高会促使泊松比升高，意味着岩石的能量耗散更大，从而降低岩石脆性。铝土岩岩石力学性质在不同取心方向也具有显著差异，抗压强度、弹性模量相差较大，甚至可达到20%以上，表明其岩石力学各向异性程度较强，该力学性质差异特征与岩性在纵向上面变化大存在一定关系。储层非均质性越强，岩石力学各向异性程度越高，表明裂缝的迂曲度将会更大，不利于加砂压裂支撑剂的运移。

表5 铝土岩取心岩石单三轴压缩实验结果

Table 5 The bauxite rock triaxial compression experiments results

编号	井号	深度/m	取心方向/（°）	直径/mm	长度/mm	围压/MPa	抗压强度/MPa	弹性模量/GPa	泊松比
1-1	L98	4 469.67	0	24.06	51.84	44	179.64	34.34	0.213
1-2	L98	4 469.64	45	24.27	49.47	44	268.23	43.43	0.186
1-3	L98	4 469.61	90	24.22	52.52	44	172.49	30.11	0.202
1-4	L98	4 469.55	垂向	24.19	51.79	44	221.20	40.84	0.263
1-5	L98	4 469.54	水平	24.24	51.83	0	44.66	20.49	0.094
2-1	HT2	4 607.74	0	24.77	52.84	46	167.39	23.91	0.080
2-2	HT2	4 607.65	45	24.76	45.96	46	249.52	36.14	0.141
2-3	HT2	4 607.68	90	24.83	51.80	46	272.82	39.42	0.158
2-4	HT2	4 607.71	垂向	24.77	45.60	46	241.80	37.08	0.162
2-5	HT2	4 606.69	水平	24.94	52.42	0	21.25	19.05	0.158

1.3　裂缝扩展实验

水力压裂模拟实验是认识裂缝扩展机制的重要手段，通过模拟地层条件下的压裂实验，可以对裂缝扩展的实际物理过程进行监测，并且对形成的裂缝进行直接观察。这对于正确认识特定岩性水力裂缝扩展的机理具有重要意义^［13］。本文选取铝土质泥岩露头试样，开展水力压裂物理模拟实验，并监测裂缝扩展过程中的声发射响应，压后开展3D扫描，研究裂缝形态及裂缝扩展特征。

采用在澄城县安里镇取得的铝土质泥岩露头（Al₂O₃含量为41.4%，岩心尺寸为30 cm×30 cm×30 cm），通过水力压裂模拟设备及相似准则，优化形成实验方案与参数设计。压裂液采用0.4%滑溜水体系，注液排量8 mL/min。基于Kaiser效应测地应力结果，水平最小应力为15 MPa，水平最大主应力为23 MPa，垂向地应力为35 MPa。并设置了连续泵注、循环泵注2组不同泵注方式。由于水力压裂裂缝表面特征对缝内压裂液的流动具有重要影响，采用岩石断面三维扫描系统对破裂面的信息进行提取，可以为计算裂缝面粗糙度及裂缝面面积提供依据^［14］。基于3D扫描裂缝面高度偏差数据的离散程度（标准差）计算裂缝面粗糙程度。计算标准差越大，表明监测点之间高度差异越大，即裂缝面粗糙度越大。

物模结果显示裂缝形态呈单一主缝+转向特征（图3），缝长39.8 cm，缝高18.5 cm。3D扫描裂缝面较为曲折，曲折度为64.8，粗糙度为4.65，表明裂缝延伸弯曲摩阻较大（图2，图3）。与砂岩、灰岩、碳酸盐岩储层相比，铝土岩储层裂缝曲折度明显偏大，分析该特征与铝土质泥岩加砂困难有一定相关性。同时铝土岩连续泵注裂缝面较为弯曲，而铝土岩循环泵注裂缝面较为平直。裂缝弯曲会影响支撑剂的加砂，提高运移阻力，而裂缝平直有利于支撑剂运移。

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图2 不同岩性物模实验扫描裂缝面3D图

Fig.2 3D images of scanning fracture surface in different lithology physical simulation experiments

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图3 铝土岩露头破裂形态

Fig.3 Core fracture morphology of the bauxite rock

因此，当铝土岩常规压裂过程中出现支撑剂运移困难的情况，可以采用循环泵注的方式注液。铝土岩连续泵注和循环泵注裂缝面粗糙度分别为4.65和1.16，循环泵注裂缝面粗糙度降低了75%，进一步表明了循环泵注有利于支撑剂的运移。

1.4　支撑剂嵌入裂缝导流能力

储层需进行压裂改造形成高导流能力的支撑裂缝，在闭合压力下，支撑剂会出现不同程度的嵌入现象^［15］。为进一步了解铝土岩水力压裂支撑剂嵌入裂缝导流能力，对铝土岩取心岩样分别开展了宏观三点弯曲断裂实验和微观电镜扫描断裂实验。选取HT2井铝土岩全直径岩心，加工为长宽厚为139.7 mm×38 mm×15 mm的标准导流岩板。

其中，加载最高有效闭合压力为70 MPa，本实验采用10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa、70 MPa共计7个有效闭合压力点开展支撑剂充填层导流能力测试。本文开展的实验为短期导流能力的测试，实验测试温度为室温（25 ℃）条件，测量介质为2%（质量）KCl溶液。首先进行金属板导流能力测试（对照组），随后进行岩板导流能力测试，由于金属板为刚性材料，支撑剂对其的嵌入程度可忽略不计，通过对比钢板和岩板裂缝宽度的变化来计算不同闭合压力下支撑剂嵌入深度，最后通过显微镜观察嵌入情况。

参考现场压裂设计参数设置泵注排量、最大闭合压力、铺砂密度，如表6所示。同时为研究支撑剂粒径对裂缝导流能力的影响，支撑剂规格分别为40/70目、70/110目，铺置浓度为5 kg/m²。

表6 铝土岩导流能力测试实验方案

Table 6 Conductivity capacity experiment parameters of the bauxite rock

实验编号	井号	深度/m	岩性	排量/（mL/min）	最大闭合压力/MPa	置入方式	铺砂密度/（kg/m²）	支撑剂粒径/目	是否酸化
1^#	HT2	4 606.23	铝土岩	8	70	静态置入	5	40/70	否
2^#	HT2	4 606.31	铝土岩	8	70	静态置入	5	70/110	否

由图4和图5可知，在40/70目支撑剂下铝土岩导流能力随着闭合压力线性下降，支撑剂嵌入深度随着闭合压力线性上升。结合Kaiser效应测地应力结果，铝土岩储层地应力条件下40/70目支撑下，导流能力约为6.78 μm²·cm，支撑剂嵌入深度约为120 μm。同时，支撑剂粒径对导流能力及嵌入深度有着显著的影响，支撑剂粒径越大，导流能力越高、嵌入深度越大，高闭合压力下，支撑剂粒径对导流能力影响降低、对嵌入深度影响增大（图6，图7）。结合Kaiser效应测地应力结果，可知在铝土岩储层地应力条件下，40/70目支撑剂导流能力约为70/110目支撑剂的2.4倍，支撑剂嵌入深度约为70/110目支撑剂的1.7倍。因此，在铝土岩储层改造过程中推荐采用40/70目大粒径支撑剂。

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图4 不同闭合压力下铝土岩导流能力

Fig.4 Conductivity in different closure pressure of the bauxite rock

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图5 不同闭合压力下铝土岩支撑剂嵌入深度

Fig.5 Proppant embedment depth in different closure pressure of the bauxite rock

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图6 不同支撑剂粒径下铝土岩导流能力

Fig.6 Conductivity in different proppant size of the bauxite rock

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图7 不同支撑剂粒径下铝土岩支撑剂嵌入深度

Fig.7 Proppant embedment depth in different proppant size of the bauxite rock

1.5　储层伤害

在压裂过程中，压裂液等外来流体会侵入储层，可能造成储层敏感性伤害，影响油气井开发生产^［16］。重点针对泥质铝土岩和铝土质泥岩，分别在HT2、L34、L81、L65井落实取心24块，并开展压裂液水敏伤害、水锁伤害、固相伤害和应力敏感性等4类共11组评价实验。

1.5.1　水敏伤害

泥质铝土岩、铝土质泥岩中的黏土矿物以水铝石、高岭石、伊利石为主，含少量菱铁矿，因此具有一定的水化膨胀风险。铝土质泥岩水敏测试结果均为强水敏（表7），测试结束后岩心表面能明显看到颗粒的运移，与铝土岩的高黏土含量和岩石颗粒胶结不够紧密导致颗粒脱落有关，因此在压裂液优化中需考虑提高抑制黏土水化膨胀运移的性能^［17］。

表7 铝土岩岩心水敏伤害实验结果

Table 7 Water sensitivity damage experiments results of the bauxite rock

岩性

岩心

盐水（模拟地层水）渗透率K ₁

/（10^-3μm²）

临界盐度点前各点渗透率的平均值

/（10^-3μm²）

清水驱替渗透率K

/（10^-3μm²）

水敏指数

（IW）

水敏程度

铝土质

泥岩

L81（1）

1.470

0.920

0.240

73.8

强水敏

L81（1）

1.646

1.020

0.150

85.2

强水敏

L65

2.603

1.985

0.314

77.6

强水敏

1.5.2　水锁伤害

铝土岩由微小颗粒构成，局部有少量缝，水锁伤害对小孔隙产生较大影响，铝土质泥岩水锁测试表现为中等偏弱水锁伤害特征（表8），原因与储层中水锁伤害相关岩屑矿物含量较低有关。因此压裂液优化时，需从降低压裂液用量、提高液体助排性能等方面开展体系优化，降低储层水锁损害。

表8 铝土岩岩心水锁伤害实验结果

Table 8 Water locking damage experiments results of the bauxite rock

层位

样品不含水的渗透率（K _g）

/（10^-3μm²）

样品水锁伤害后的渗透率（K _w）

/（10^-3μm²）

水锁伤害率（D _w）

水锁伤害程度

铝土质泥岩

0.001 716

0.001 116

34.9

中等偏弱

0.001 711

0.001 059

38.1

中等偏弱

0.001 736

0.001 109

36.1

中等偏弱

1.5.3　固相伤害

压裂液破胶前，岩心渗透率降低幅度较大，充分破胶后，岩心渗透率恢复程度较高（表9），原因与聚合物分子附着岩石表面多少有关。因此，压裂液方面可在控制聚合物浓度、优化破胶剂性能及用量等方面进行优化。

表9 铝土岩岩心固相伤害实验结果

Table 9 Solid damage experiments results of the bauxite rock

岩性	岩心	盐水驱初始渗透率（K ₀） /（10^-3μm²）	0.1%聚合物稠化剂渗透率（K ₁） /（10^-3μm²）	0.3%聚合物稠化剂渗透率（K ₂） /（10^-3μm²）	渗透率保留率 /%
泥质铝土岩	HT2 （1）	2.601 2	1.034 3	/	39.76
泥质铝土岩	HT2 （2）	2.450 7	/	1.112 5	45.39
铝土质泥岩	L58（1）	0.338 6	0.105 2	/	31.07
铝土质泥岩	L58 （2）	0.588 3	/	0.439 8	74.76

注：“/”表示无数据

1.5.4　应力敏感性

按行业标准《储层敏感性流动实验评价方法》（SY/T 5358—2010）评价岩石应力敏感性。缓慢增加围压，围压间隔按照2 MPa，当围压从2 MPa增加到25 MPa时，孔隙体积从93.47%减小到84.73%，减少幅度在0.39%~6.53%之间，应力敏感损害较小（表10）。

表10 铝土岩应力敏感性实验结果

Table 10 Stress sensitivity experiments results of the bauxite rock

压力/MPa	实验前孔隙体积/%	实验后孔隙体积变化/%
2	93.47	6.53
5	92.49	0.98
10	91.05	1.44
15	88.32	2.72
20	87.93	0.39
25	84.73	3.20

根据岩矿组分和孔隙结构分析、定量分析压裂液对储层的伤害主控因素，得到不同类型铝土岩伤害主控因素影响程度排序为：水锁伤害≈水敏伤害>固相伤害>>应力敏感。

2 压裂关键技术及工艺参数

2.1　完井方式

基于铝土岩复杂岩性特征，目前实践形成的直井完井方式主体采用二开Φ177.8 mm套管固井完井（图8）。完井套管钢级选型方面，由初期95S套管向壁厚12.65 mm、承压84 MPa的P110钢级升级转变，并配备105 MPa压力等级套管头。同时根据改造需要攻关试验Q125套管，以此来满足不同岩性铝土岩高压压裂的需求。I类铝土岩储层采用114.3 mm、8.56 mm套管完井，并根据改造需要提高承压等级。

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图8 铝土岩直井完井方式

Fig.8 Vertical well structure of the bauxite rock

2.2　压裂工艺及参数

纯铝土岩储层可压性好，前期钻试工程实施较为顺利。但对于泥质含量较高的泥质铝土岩和铝土质泥岩，由于具有高黏土矿物含量、杨氏模量、高脆性及高地应力等特征，且各向异性程度越高，储层非均质性强，裂缝的迂曲度将会更大，不利于加砂压裂支撑剂的运移。同时3D扫描裂缝面较为曲折，表明裂缝延伸弯曲摩阻较大，该特征与铝土质泥岩加砂困难也有一定相关性。导致在压裂改造过程中存在储层难破裂、裂缝难扩展等问题：前期75%的施工井储层起裂困难；施工压力较高，其中90%的储层施工压力大于65 MPa；裂缝延伸难度大（裂缝延伸压力61.8~118.7 MPa）；加砂难度大（55%的井未完成设计砂量）；并且单井改造效果差，储层产水，压后排液效果差。

L72井太原组铝土质泥岩共施工两次，第一次施工试挤8次（限压70 MPa），地层无破裂、无吸收。建立施工排量后以6.0 m³/min排量施工［图9（a），施工压力55.3 MPa，砂浓度150 kg/m³］，刚入地时即有砂堵迹象，最终顶替未成功，累计加砂16.7 m³。该井地层无明显破裂，表明裂缝延伸压力高，破裂难度大，储层可压性差。第二次改造目标聚焦于上部气测较好储层（图10），考虑到第一次施工地层吸收较慢，与加砂难度较大，从射孔、管柱结构与注入方式、液体体系进行调整。使用全井3-¹/₂"油管压裂提高施工限压至90 MPa，有利于裂缝延伸。第二次改造酸液进地层后，压力有所降低［图9（b）］，逐渐提升排量到4.0 m³/min，施工压力最高为90 MPa，砂浓度为180 kg/m³时进地层后，压力上涨明显，停泵顶替后继续以120 kg/m³尝试加砂，有砂堵迹象，停泵。

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图9 L72井太原组两次压裂施工曲线

Fig.9 Twice fracturing pressure curves of Well L72

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图10 L72井太原组测井解释成果图

Fig.10 Logging curve of Well L72

L48井储层为太原组铝土质泥岩，含重矿物较多，整体致密，共压裂改造两次（图11，图12）。施工过程中段塞入地后压力上涨明显，表明储层致密，裂缝宽度窄，未形成有效主裂缝，加砂难度大。

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图11 L48井太原组两次压裂施工曲线

Fig.11 Twice fracturing pressure curves of Well L48

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图12 L48井太原组测井解释成果

Fig.12 Logging curve of Well L48

基于前期矿场实践，明确常规酸液体系对水铝石酸溶率低是造成降压效果不理想的关键因素，据此转变设计思路，提出以酸溶水铝石外的黏土矿物为主要目标的降压工作液研发思路，研发形成多效耦合活性酸体系，并在现场试验多口井，均见到明显降压效果。

基于铝土岩地质力学特征，结合完试井施工参数模拟结果，表明施工排量以及净压力对裂缝宽度影响较大。因此对前期施工参数进行调整，以提高净压力与缝宽为目的，优选大排量压裂改造工艺。针对复杂岩性铝土岩高杨氏模量储层特征，按照长裂缝、低伤害的压裂提产思路，通过高压大排量压裂，增大裂缝改造体积，施工排量6~10 m³/min，液量600~1 200 m³，配套加密射孔，射孔密度由16孔/m增加至32孔/m，增加起裂位置，降低孔眼摩阻与近井弯曲摩阻。压裂液以“减少黏土膨胀、降低水锁伤害”为主要原则，针对泥质铝土岩、铝土质泥岩优先考虑交联强度大的胍胶压裂液体系，为提高施工净压力，增大造缝能力与缝宽，为裂缝延伸及加砂创造条件（图13）。针对纯铝土岩采用低黏度、高降阻、低伤害的滑溜水体系。胍胶和滑溜水体系同时需添加防水锁剂、黏土稳定剂及“低温、中温和高温”三级破胶体系降低储层伤害，通过集成“体积压裂增大裂缝体积、高黏液提净压造缝携砂、加密射孔确保起裂、前置酸液降低工压”4项技术措施为一体，初步固化形成多岩性铝土岩压裂改造技术模式^［18］。

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图13 Ⅱ、Ⅲ类铝土岩最高施工压力及裂缝延伸压力统计

Fig.13 Maximum fracturing pressure and fracture extension pressure of class Ⅱ and Ⅲ bauxite rocks

2.3　现场应用效果

2021年L47井在太原组钻遇铝土岩24.5 m，测井解释气层3段共16.5 m（图14）。针对铝土岩新类型储层“深穿透射孔、高强低密细陶、滑溜水连续携砂”的体积改造技术在L47井成功应用，压后改造体积大幅提升。L47井加砂52 m，排量9.0 m³/min（图15），液量1 080 m³，试气产量由射孔求初产0.3×10⁴m³/d提高到67.3×10⁴m³/d。软件模拟压后裂缝缝宽4.11 mm，半缝长203 m，导流能力21 μm²·cm（图16）。累积生产46 d产气137.1×10⁴m³，配产（3.0~2.0）×10⁴m³/d，开井油套压27.0 MPa，平缓段压降速率为0.117 MPa/d。关井压恢13 d油套压升至22.85/22.93 MPa，恢复程度84.0%，结合气井压降速率规律预测单井EUR值为（2 235~2 886）×10⁴m³，反映了铝土岩气藏较好的生产能力。

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图14 L47井太原组测井解释综合图

Fig.14 Logging curve of Well L47

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图15 L47井太原组施工曲线

Fig.15 Construction curve of Taiyuan Formation in Well L47

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图16 L47井裂缝形态模拟

Fig.16 Fracture geometry mimic diagram of Well L47

2.4　排液工艺及措施

铝土岩储层埋藏深、温度高，并且部分储层产水。返排摩阻及回压高，排液困难，是制约产能提升的一个重要问题，压后返排效果需进一步提升。L48井入井总液量293.4 m³，压后油放15 h，出液61 m³，点火不燃，后采用气举+关放排液，累计排液226 m³，返排率77.0%，火焰黄红3~0 m；排液后关井6 d，油压由0.2 MPa恢复至3.0 MPa，套压由1.0 MPa恢复至3.0 MPa（图17）。

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图17 L48井铝土岩排液曲线

Fig.17 Drainage curve of Well L48 bauxite rock

表11 铝土岩改造参数

Table 11 Simulation parameters of the bauxite rock

岩性		铝土岩	泥质铝土岩、铝土质泥岩
压裂提产思路		低伤害滑溜水压裂	高压强加砂压裂
关键参数优化	注入方式	勘探井：采用7"+2-³/₈"油套环空注入甩开评价井：采用5-¹/₂"套管注入
	射孔方式	大孔径深穿透复合射孔
	压裂液	强抑制变黏滑溜水	高黏胍胶
	支撑剂	40/70+70/140目组合陶粒（86 MPa破碎率≤10%）	40/70+70/140目组合陶粒（103 MPa破碎率≤10%）
	加砂量/m³	30~60	20~50
	排量/（m³/min）	8~10	6~10
	液量/m³	800~1 200	600~800

前期的气举阀由于结构和强度限制，只能应用于油管注入压裂，开展环空大排量压裂后，需压井再下油管带气举阀进行排液，使排液周期增长，同时带来一定程度的地层伤害（图18）。针对铝土岩深井排液问题，创新研发环空压裂排液一体化气举阀工具，承压≥90 MPa、耐温120 ℃，避免常规深井压井换管柱作业，减少压井对地层造成伤害，同时降低井控风险，实现压后快速排液，满足深层体积压裂与高效排液双重需求，排液周期平均缩短5~6 d（图19）。

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图18 长庆气田不同区块储层深度与有效排液周期

Fig.18 Resevoir depth and effective drainage periods in different blocks，Changqing Gas Field

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图19 深井环空气举阀示意

Fig.19 The annular gas lift valve of deep well

3 结论

（1）铝土岩与砂岩、碳酸盐岩等常规储层在岩性、沉积特征、矿物成分及孔隙结构等方面差异较大，同时各向异性程度较强，裂缝延伸弯曲摩阻较大，与铝土质泥岩加砂困难存在一定相关性。

--引用第三方内容--

（2）不同类型铝土岩储层伤害主控因素主要包括水锁伤害、水敏伤害及固相伤害，应力敏感性中偏弱。伤害主控因素影响程度排序为：水锁伤害≈水敏伤害>固相伤害>>应力敏感。

（3）针对黏土含量高、杨氏模量高、裂缝起裂延伸难度大、加砂难度大等工程难题，集成“体积压裂增大裂缝体积、高黏液提净压造缝携砂、加密射孔确保起裂、前置酸液降低工压”4项技术措施为一体，初步固化形成多岩性铝土岩压裂改造技术模式。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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Abstract

0 引言

图1 陇东地区铝土岩平面分布①

1 压裂基础实验

1.1 矿物成分

表1 铝土岩矿物成分统计

表2 铝土岩分类

表3 铝土岩与常规储层矿物含量对比

1.2 岩石力学性质与地应力

表4 铝土岩岩石力学测试结果统计

表5 铝土岩取心岩石单三轴压缩实验结果

1.3 裂缝扩展实验

图2 不同岩性物模实验扫描裂缝面3D图

图3 铝土岩露头破裂形态

1.4 支撑剂嵌入裂缝导流能力

表6 铝土岩导流能力测试实验方案

图4 不同闭合压力下铝土岩导流能力

图5 不同闭合压力下铝土岩支撑剂嵌入深度

图6 不同支撑剂粒径下铝土岩导流能力

图7 不同支撑剂粒径下铝土岩支撑剂嵌入深度

1.5 储层伤害

1.5.1 水敏伤害

表7 铝土岩岩心水敏伤害实验结果

1.5.2 水锁伤害

表8 铝土岩岩心水锁伤害实验结果

1.5.3 固相伤害

表9 铝土岩岩心固相伤害实验结果

1.5.4 应力敏感性

表10 铝土岩应力敏感性实验结果

2 压裂关键技术及工艺参数

2.1 完井方式

图8 铝土岩直井完井方式

2.2 压裂工艺及参数

图9 L72井太原组两次压裂施工曲线

图10 L72井太原组测井解释成果图

图11 L48井太原组两次压裂施工曲线

图12 L48井太原组测井解释成果

图13 Ⅱ、Ⅲ类铝土岩最高施工压力及裂缝延伸压力统计

2.3 现场应用效果

图14 L47井太原组测井解释综合图

图15 L47井太原组施工曲线

图16 L47井裂缝形态模拟

2.4 排液工艺及措施

图17 L48井铝土岩排液曲线

表11 铝土岩改造参数

图18 长庆气田不同区块储层深度与有效排液周期

图19 深井环空气举阀示意

3 结论

参考文献

图1 陇东地区铝土岩平面分布^①

1.1　矿物成分

1.2　岩石力学性质与地应力

1.3　裂缝扩展实验

1.4　支撑剂嵌入裂缝导流能力

1.5　储层伤害

1.5.1　水敏伤害

1.5.2　水锁伤害

1.5.3　固相伤害

1.5.4　应力敏感性

2.1　完井方式

2.2　压裂工艺及参数

2.3　现场应用效果

2.4　排液工艺及措施